JPS5919443B2 - Manufacturing method of voltage nonlinear resistor - Google Patents

Manufacturing method of voltage nonlinear resistor

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JPS5919443B2
JPS5919443B2 JP53049557A JP4955778A JPS5919443B2 JP S5919443 B2 JPS5919443 B2 JP S5919443B2 JP 53049557 A JP53049557 A JP 53049557A JP 4955778 A JP4955778 A JP 4955778A JP S5919443 B2 JPS5919443 B2 JP S5919443B2
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voltage
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varistor
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雅紀 稲田
和生 江田
治 牧野
政行 界
篤志 伊賀
道雄 松岡
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電圧非直線抵抗器の製造方法にかかり、特に焼
結体自身が電圧非直線を示し、そのバリスタ電圧が低く
、温度特性がすぐれ、かつ制限電圧比が小さく、低圧回
路における高エネルギーサージの吸収用として、例えば
自動車の電気回路のジャイアントサージの吸収用として
実用に供しうる電圧非直線抵抗器の製造方法を提供しよ
うとするものである。
Detailed Description of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a voltage non-linear resistor, in particular, the sintered body itself exhibits voltage non-linearity, the varistor voltage is low, the temperature characteristics are excellent, and the limiting voltage ratio is small. The present invention aims to provide a method for manufacturing a voltage nonlinear resistor that can be practically used for absorbing high-energy surges in low-voltage circuits, for example, for absorbing giant surges in electric circuits of automobiles.

近年、自動車に対する公害規制と安全規制が強化され、
それに伴って、電子噴射装置やシートベルトロックシス
テム、アンチキッドシステムなど多数の半導体素子を用
いた複雑な電子機器が自動車に塔載されるようになって
きている。
In recent years, pollution regulations and safety regulations for automobiles have been strengthened.
Along with this trend, complex electronic devices such as electronic injection devices, seatbelt lock systems, and anti-kid systems that use a large number of semiconductor elements are being installed in automobiles.

しかしながら、自動車の電気回路には発電機やモータ、
各種リレー、ソレノイドなどの誘導負荷が存在し、回路
のスイッチング時に、それらの誘導負荷から多数の開閉
サージが発生し、これによって前述した各種電子装置中
の半導体素子が破壊されるという現象が大きな問題とな
ってきている。
However, the electrical circuits of automobiles include generators, motors,
A major problem is that there are inductive loads such as various relays and solenoids, and when a circuit is switched, many switching surges are generated from these inductive loads, which destroy the semiconductor elements in the various electronic devices mentioned above. It is becoming.

これらのサージのうち、エネルギーが10ジユール以下
の小さなものに対しては、ツェナーダイオード、あるい
は、ZnOに少量のB i 203やCO2032Mn
02などを加えて焼成した電圧非直線抵抗器(バリスタ
)で十分に対応することができる。
Among these surges, for small ones with energy of 10 joules or less, use a Zener diode or a small amount of B i 203 or CO2032Mn in ZnO.
A voltage non-linear resistor (varistor) which is fired with the addition of 02 or the like can be used sufficiently.

しかし、バッテリーが回路からはずされたときに、発電
機などから発生する大きなサージ、いわゆるジャイアン
トサージに対しては、そのサージエネルギーが50〜3
00ジユールと太きいたぬに、従来のツェナーダイオー
ドあるいは金属酸化物バリスタでは対応することができ
なかった。
However, when the battery is removed from the circuit, the surge energy is 50 to 3
Conventional Zener diodes or metal oxide varistors could not handle the large diameter of 0.00 joules.

なぜなら、ツェナーダイオードは一つのpn接合からな
るダイオードであり、サージエネルギー耐量を高めるた
めには、非常に広い面積、たとえば80cnf以上にわ
たって均−なpn接合を作らなくてはならない。
This is because a Zener diode is a diode consisting of a single pn junction, and in order to increase surge energy resistance, a uniform pn junction must be formed over a very wide area, for example, 80 cnf or more.

しかし、現在の半導体技術ではそのような大面積のpn
接合を作ることはむずかしく、また製造コストも高くな
るため経済的でない。
However, with current semiconductor technology, such large-area pn
It is difficult to make a joint and the manufacturing cost is high, making it uneconomical.

従来の焼結体自体が電圧非直線性を示す金属酸化物バリ
スタの場合には、単位厚さあたり、たとえば1mrrt
あたりのバリスタ電圧(vt mAimvt >が比較
的高い。
In the case of a conventional metal oxide varistor in which the sintered body itself exhibits voltage nonlinearity, for example, 1 mrrt per unit thickness.
The varistor voltage (vt mAimvt >) is relatively high.

これを低電圧回路に使用して、数100ジユールのサー
ジエネルギー耐量をもたせるためには、主として熱容量
の関係から非常に薄くて面積の広い、いわばシート状の
素子を作らなければならない。
In order to use this in a low-voltage circuit and have a surge energy withstand capacity of several hundred joules, it is necessary to make a sheet-like element that is extremely thin and has a large area, mainly due to heat capacity.

ところが、現在のセラミックス技術では、このような素
子を得ることはきわめて困難なことである。
However, with current ceramic technology, it is extremely difficult to obtain such an element.

とりわけ、金属酸化物バリスタのようにもろい焼結体の
場合には、製造することがほとんど不可能であった。
In particular, it has been almost impossible to manufacture brittle sintered bodies such as metal oxide varistors.

ZnOを主成分とするバリスタは、すでQこよく知られ
ているものであるが、最も一般に用いられるものは、Z
nOにBi2O3やMnO2,Co2O3゜5b203
.Cr2O3,NiOなどの金属酸化物を少量加え、1
100°C〜1400℃の温度で空気中において焼成す
ることにより得られる素子である。
Varistors whose main component is ZnO are already well known, but the most commonly used one is ZnO.
Bi2O3, MnO2, Co2O3゜5b203 in nO
.. Add a small amount of metal oxides such as Cr2O3 and NiO,
This is an element obtained by firing in air at a temperature of 100°C to 1400°C.

その微細構造は、直径数10μmのZnO粒子、または
不純物を含むZnO粒子を、厚み1μm以下のBi2O
3などの金属酸化物の層が取り囲んだ構造となっている
Its microstructure consists of ZnO particles with a diameter of several tens of μm or ZnO particles containing impurities, and Bi2O particles with a thickness of 1 μm or less.
It has a structure surrounded by a layer of metal oxide such as No. 3.

このバリスタの電圧非直線性は上記金属酸化物層に由来
し、1層あたりのバリスタ電圧は約1.5Vである。
The voltage nonlinearity of this varistor originates from the metal oxide layer, and the varistor voltage per layer is about 1.5V.

自動車用の回路電圧は、電源電圧の変動を考慮して直流
12〜16Vであるからサージ吸収用としてこのような
低電圧回路に用いるためには、バリスタ電圧が約16V
程度でなければならない。
The circuit voltage for automobiles is 12 to 16 V DC, taking into account fluctuations in power supply voltage, so in order to use it in such a low voltage circuit for surge absorption, the varistor voltage must be approximately 16 V.
It must be of a certain degree.

そのためには、電極間に約10個の金属酸化物層が直列
に存在していなければならない。
For this purpose, approximately 10 metal oxide layers must be present in series between the electrodes.

一方、ZnO粒子の大きさは10〜30μm程度である
から、10個の金属酸化物層を直列に有するような素子
を作ろうとすると、どうしても素子の厚みを0.1〜0
.3朋程度としなくてはならない。
On the other hand, since the size of ZnO particles is about 10 to 30 μm, if you try to make an element with 10 metal oxide layers in series, you will have to reduce the thickness of the element by 0.1 to 0.
.. It must be about 3 friends.

しかも、300ジユールのサージエネルギーが加わった
場合の温度上昇を、使用最高温度150°C1熱暴走開
始温度約200℃を考慮して、50°C以下Oこ抑えよ
うとすると、ZnOバリスタの比熱(約0.125ca
l/°C−9)および比重(5,4g/cr?L)で決
まる熱容量から、約22iの体積が必要となる。
Moreover, if we try to suppress the temperature rise when 300 Joules of surge energy is applied to 50°C or less, considering the maximum operating temperature of 150°C and the thermal runaway starting temperature of approximately 200°C, the specific heat of the ZnO varistor ( Approximately 0.125ca
From the heat capacity determined by the specific gravity (5.4 g/cr?L), a volume of approximately 22 i is required.

したがって、素子の厚さをかりに0.2 mmとすると
、更に直径120朋程度のシート状の素子を作らなくて
はならない。
Therefore, if the thickness of the element is set to 0.2 mm, a sheet-like element with a diameter of approximately 120 mm must be manufactured.

しかも、金属酸化物バリスタは前述のようOこ、ZnO
粒子が薄い金属酸化物層に包まれて焼き固められた構造
であるため、ZnO粒子が脱落しやすい。
Moreover, as mentioned above, metal oxide varistors are
Since the structure is such that the particles are wrapped in a thin metal oxide layer and baked and hardened, the ZnO particles tend to fall off.

そのため、研摩などの方法では、このようなシート状の
バリスタを製造することはできない。
Therefore, such a sheet-like varistor cannot be manufactured by methods such as polishing.

すなわち、このような要求をみたすためには、1龍あた
りのバリスタ電圧(V1171A/mm)をさげること
が必要不可欠の条件である。
That is, in order to meet such requirements, it is an essential condition to lower the varistor voltage (V1171A/mm) per dragon.

このような要望にこたえ、V 1 m A/mmの低圧
化をはかるたぬQこ、新たな添加物を加えてZnO粒子
を焼成中に粒成長させる試みも行なわれた。
In response to such demands, attempts have been made to lower the pressure to V 1 mA/mm and to add new additives to grow ZnO particles during firing.

たとえば、ZnOにBi2O3やCo203 、 Mn
02 、 Ti 02などを加えたもの、ZnOにB
i2O3やCo20Co203t、BeOなどを加えた
ものでは、かなり、ZnO結晶粒を成長させることがで
き、1朋あたりのバリスタ電圧(V1mA/mm )を
40Vあるいはそれ以下ζこすることができる。
For example, Bi2O3, Co203, Mn
02, Ti 02 etc. added, ZnO with B
When i2O3, Co20Co203t, BeO, etc. are added, ZnO crystal grains can be grown considerably, and the varistor voltage (V1mA/mm2) per varistor can be reduced to 40V or lower.

しかし、いずれの場合にも温度特性やザ゛−ジ耐量の改
善に著しい効果がある5b203を添加すると、それに
よって粒成長が抑制され、V1mA/rILmが5b2
03を添加しなかったときの倍以上にも上昇する。
However, in any case, adding 5b203, which has a remarkable effect on improving temperature characteristics and surge resistance, suppresses grain growth and reduces V1mA/rILm to 5b2.
The increase is more than twice that of when 03 was not added.

そのため、バリスタ電圧を上昇させずに温度特性の向上
をはかることが困難であった。
Therefore, it has been difficult to improve the temperature characteristics without increasing the varistor voltage.

特に自動車用サージ吸収素子として用いる場合には、取
付位置の関係から高温度下での使用となるため、温度特
性が最重点特性の一つとなっている。
In particular, when used as a surge absorbing element for an automobile, the temperature characteristics are one of the most important characteristics, since it is used under high temperatures due to the mounting position.

さら(こBeOは安全衛生上の見地からみても好ましく
なかった。
Moreover, BeO was also unfavorable from a safety and health standpoint.

また別の試みとして、あらかじめZnO焼結体を粉砕し
て得たZnO微粒子に添加物をまぶして、成型、焼成し
て、バリスタ電圧の低い素子を得ようとする方法も考え
られた。
In another attempt, a method was considered in which ZnO fine particles obtained by crushing a ZnO sintered body in advance were sprinkled with additives, molded, and fired to obtain an element with a low varistor voltage.

しかし、単にZnO成形体を焼成したのみでは、高温度
下で長時間焼成をしても、ZnO粒子の粒成長速度が遅
く簡単には50μm以上に成長しない。
However, if the ZnO molded body is simply fired, the grain growth rate of the ZnO particles is slow and the grain size does not easily grow to 50 μm or more even if the ZnO molded body is fired at high temperature for a long time.

そのため、これを粉砕して得た粒子に添加物をまぶして
焼成しても、容易にはv1mA/1III!が20V以
下の素子を得ることができなかった。
Therefore, even if the particles obtained by pulverizing the particles are coated with additives and fired, the result will be v1mA/1III! It was not possible to obtain a device with a voltage of 20 V or less.

そして、このような方法で得たZnO粒子は高温度下で
焼成されているため焼結が著しく進んでおり、これに添
加物をまぶして成型、焼成した焼結体では収縮がほとん
ど起らず、気孔のきわめて多い、耐湿性に問題のある素
子であった。
Since the ZnO particles obtained by this method are fired at high temperatures, sintering progresses significantly, and the sintered bodies coated with additives, molded, and fired show almost no shrinkage. The device had extremely large numbers of pores and had moisture resistance problems.

またZnO粒子間の接触が点接触状態に近いため、サー
ジ吸収時には接触点での電流密度が高くなり、サージ吸
収特性の重要な要素である大電流での制御電圧比(たと
えはIOAにおける電圧VIOAとバリスタ電圧v1m
Aとの比)が大きくなる。
In addition, since the contact between ZnO particles is close to a point contact state, the current density at the contact point increases during surge absorption, and the control voltage ratio at large current (for example, the voltage VIOA at IOA and varistor voltage v1m
(ratio to A) increases.

また発熱を伴うような高エネルギーサージが加わった場
合には、接触点での発熱、それに伴う溶融などにより特
性の劣化が大きくなるなどの問題があり、特に自動車回
路に発生するジャイアントサージの吸収などには不適当
なものであった。
In addition, if a high-energy surge that generates heat is applied, there is a problem such as the heat generation at the contact point and the resulting melting, resulting in a significant deterioration of the characteristics.In particular, there is a problem such as absorption of giant surges that occur in automobile circuits. It was inappropriate.

本発明は、以上の問題点を解決し、バリスタ電圧(V1
mA/mrIL)が低く、気孔が少なく、制限電圧比(
VIOA/Vl mA)の小さい、温度特性のすぐれた
高エネルギーサージ耐量の過電圧吸収用電圧非直線抵抗
器に関する新しい製造法を提供しようとするものである
The present invention solves the above problems and varistor voltage (V1
mA/mrIL) is low, there are few pores, and the limiting voltage ratio (
The present invention aims to provide a new manufacturing method for an overvoltage absorbing voltage nonlinear resistor with low VIOA/Vl mA), excellent temperature characteristics, and high energy surge resistance.

その特徴とするところは、Zn(]こBi1およびCo
またはMnまたはCOとMnなどの酸化物を必ず添加し
混合、成型、焼成すると焼結体自身が顕著な非ホーム性
を示す配合において、そのZnO原材料の一部分を、Z
nOを主成分としBa t Sr 、Ca t Na
、になどの7/l/カリ土類またはアルカリ金属成分の
少くとも一つを酸化物の形に換算して0.1〜5モル係
含む焼結体を水により分解して得られるZnO粒子(核
ZnO粒子)に置き換え、かつスピネル相に固溶しない
Bi203r、Cどの成分以外の添加物成分とZnO原
材料の一部分とを、それらを用いて混合、成型、焼成後
粉末化して作製したスピネル相化合物の粉体に置き換え
、混合、成型、焼成する製造方法にある。
Its characteristics are that Zn(], Bi1 and Co
Alternatively, in a formulation in which Mn or CO and an oxide such as Mn are always added and the sintered body itself shows remarkable non-homogeneous properties when mixed, molded, and fired, a part of the ZnO raw material is
Bat Sr, Cat Na with nO as the main component
ZnO particles obtained by decomposing a sintered body containing 0.1 to 5 moles of at least one potash earth or alkali metal component in the form of an oxide with water. (core ZnO particles) and additive components other than Bi203r and C, which are not solid dissolved in the spinel phase, and a part of the ZnO raw material are mixed, molded, fired, and then powdered to create a spinel phase. The manufacturing method involves replacing the compound with powder, mixing it, molding it, and firing it.

以下、その詳細について実施例にもとづいて説明する。The details will be explained below based on examples.

〔実施例〕〔Example〕

Zn099.5モル係に対して、0.5モル係のBaC
O3を添加し十分に混合した後加圧成型し、1400°
Cで10時間焼成した。
0.5 mol of BaC for 99.5 mol of Zn
After adding O3 and mixing thoroughly, press molding and heat to 1400°.
C. for 10 hours.

得られた焼結体は、およそ30〜200μmの粒径のZ
nO結晶粒子を、数100人の厚さの酸化バリウム層が
包んでいるような構造となっている。
The obtained sintered body has Z particles with a particle size of approximately 30 to 200 μm.
The structure is such that nO crystal particles are surrounded by a barium oxide layer several 100 layers thick.

この焼結体を純水中で煮沸し、粒界のBa成分を水に溶
解せしめることにより焼結体を壊し焼結体中のZnO結
晶粒子をそのままの形で取出した。
This sintered body was boiled in pure water to dissolve the Ba component at the grain boundaries in the water, thereby breaking the sintered body and taking out the ZnO crystal particles in the sintered body as they were.

得られたZnO結晶粒子は、粒径がおよそ30〜200
μmあり、1個または2個程度の単結晶からなっていた
The obtained ZnO crystal particles have a particle size of approximately 30 to 200
It had a diameter of μm and consisted of about one or two single crystals.

つぎ(こ、第1表■欄Iに示した、Zn0c′CBi、
SbおよびCoまたはMnまたはCoとMnなどの酸化
物を必ず含む配合において、スピネル相に固溶しない成
分(例えば、Bi2O3,5iO2)以外のすべての添
加物とZnO原材料の一部分との間で混合、成型し、1
350°C2時間焼成しスピネル相化合物を作製した。
Next (Zn0c′CBi shown in Table 1, Column I),
In a formulation that necessarily contains oxides such as Sb and Co or Mn or Co and Mn, mixing between a portion of the ZnO raw material and all additives other than components not solidly dissolved in the spinel phase (e.g. Bi2O3, 5iO2), Mold, 1
A spinel phase compound was produced by firing at 350°C for 2 hours.

第1表■欄に、■欄の配合において形成されるスピネル
相化合物の組成を示す。
Table 1, column (2) shows the composition of the spinel phase compound formed in the formulation in column (2).

これらの焼成試料を粉砕し、スピネル相化合物の粉末試
料を作製した。
These fired samples were pulverized to produce powder samples of spinel phase compounds.

つぎζこ、第1表■欄に示した配合番こおいて、系全体
の組成を変えないようOこして、ZnO原材料の10モ
ル係を上述の方法により取出した63〜125μmの大
きなZnO粒子(核ZnO粒子)に置き換え、かつB
1203 t 5102以外の添加物とZnOの一部分
とを第1表■欄の組成のスピネル相化合物粉末試料に置
き換え、混合、成型し1300℃3時間焼成した。
Next, using the formulation number shown in column (■) of Table 1, large ZnO particles with a size of 63 to 125 μm were extracted from 10 moles of the ZnO raw material by the method described above, strained with O so as not to change the composition of the entire system. (core ZnO particles), and B
Additives other than 1203t 5102 and a portion of ZnO were replaced with a spinel phase compound powder sample having the composition shown in column (2) of Table 1, mixed, molded, and fired at 1300°C for 3 hours.

このようにして得られた焼結体は、直径約14mmの大
きさであり、これにオーミック電極を設けてサージ吸収
用素子としての緒特性を測定した。
The sintered body thus obtained had a diameter of about 14 mm, and an ohmic electrode was provided thereto to measure its performance as a surge absorbing element.

この結果を第2表−1゜2.3,4のa方式の欄に示す
The results are shown in the column a of Table 2-1°2.3, 4.

また、第1表■欄の1−3に対応する組成において、こ
の方式(a方式)/Iこよって、核ZnO粒子への置換
量を10モル係と固定し、焼成条件を変えた場合におけ
る特性を第3表に、核ZnO粒子の粒径を63〜125
μmから44〜105μ叫こ変えた場合の特性を第4表
に示した。
In addition, in the composition corresponding to 1-3 in column (■) of Table 1, this method (method a)/I shows that when the amount of substitution to the core ZnO particles is fixed at 10 mol and the firing conditions are changed. The characteristics are shown in Table 3, and the particle size of the core ZnO particles is 63 to 125.
Table 4 shows the characteristics when the thickness is changed from 44 to 105 μm.

〔比較例〕[Comparative example]

実施例と同一組成であって、原材料からなる第1表I欄
の配合lこついて、実施例と同一条件で焼結体を作製し
たときの特性値を実施例とともに、第2表1,2,3,
4のC方式の欄に示す。
The characteristic values obtained when a sintered body having the same composition as the example and the raw materials in column I of Table 1 were produced under the same conditions as the example are shown in Tables 2, 1 and 2. ,3,
It is shown in the C method column of 4.

また、実施例と同一組成であって第1表1欄の配合にお
いて、ZnO原材料の10モル係を核ZnO粒子に置き
換えた場合における特性値を第2表1,2,3゜4のb
方式の欄に示した。
In addition, the characteristic values when 10 moles of the ZnO raw material were replaced with core ZnO particles in the formulation shown in column 1 of Table 1 with the same composition as in the example are shown in b of Table 2 1, 2, 3゜4.
It is shown in the method column.

つぎに、第1表I欄の1の配合を用いて、ZnO原材料
の10モル係を核ZnO粒子に置き換え、さらに配合に
応じて添加物を置き換えるスピネル相化合物の組成を変
えるa方式と異なって、スピネル相の組成を一定にして
おき、■欄の各配合(こおける5b203の全量をスピ
ネル相化合物の添加量を調節してスピネル相中に含ませ
て添加し、スピネル相化合物の添加だけでは不足する他
の添加物成分をさらGこ添加し、全体としてI欄と同一
組成となるようにした場合における特性値を第2表1の
d方式の欄に示した。
Next, using the formulation 1 in column I of Table 1, we replaced 10 moles of the ZnO raw material with core ZnO particles, and further changed the composition of the spinel phase compound to replace additives according to the formulation. , the composition of the spinel phase was kept constant, and the total amount of 5b203 in each formulation in column (■) was added by adjusting the amount of the spinel phase compound added and included in the spinel phase. The characteristic values obtained when the missing additive components were further added in an amount of G to give the same composition as in column I as a whole are shown in column d of Table 2.

この場合において、スピネル相化合物としては、ZnO
6,98,5b203117 、CO2030,44t
MnO,、0,44t NiOO,s 9 tCr20
30.09の組成からなるものを用いた。
In this case, the spinel phase compound is ZnO
6,98,5b203117, CO2030,44t
MnO,, 0,44t NiOO,s 9 tCr20
A material having a composition of 30.09 was used.

第2表、第3表および第4表において、サージ破壊エネ
ルギーとは、素子がサージによって破壊したときの素子
に加えられたエネルギーを単位バリスタ電圧について表
したものであり、たとえばサージ破壊エネルギー1ジユ
ール(J)の素子は、■1mAを16Vに設定すると1
6ジユールのサージエネルギーで破壊することを意味す
る。
In Tables 2, 3, and 4, the surge breakdown energy is the energy applied to an element when the element is destroyed by a surge, expressed with respect to unit varistor voltage; for example, the surge breakdown energy is 1 joule. The element (J) becomes 1 when setting 1mA to 16V.
It means to destroy it with 6 joules of surge energy.

したがって、破壊エネルギーの大きなものほど本発明の
目的である低電圧回路の高エネルギーの吸収に適してい
るといえる。
Therefore, it can be said that the larger the breakdown energy, the more suitable the material is for absorbing high energy in a low voltage circuit, which is the object of the present invention.

また、温度課電率とは、150℃に保たれた素子に10
μAを流したときに素子の両端に発生する電圧V1ol
tA(150°C)を、室温で1mA流したときに素子
の両端に発生する電圧V1mA(RT)で割った値であ
る。
In addition, the temperature charge rate is 10
Voltage V1ol generated across the element when μA flows
It is the value obtained by dividing tA (150°C) by the voltage V1mA (RT) generated across the element when 1mA flows at room temperature.

この値は、バリスタの温度特性と電圧非直線性の両方の
特性の良否の目安となるもので、これが大きいほどそれ
らの特性がすぐれているので高温におかれた低電圧回路
の高エネルギーのサージ吸収に適しており、本発明の目
的にかなうものである。
This value is a guide to the quality of both the temperature characteristics and voltage nonlinearity characteristics of the varistor, and the larger this value is, the better these characteristics are. It is suitable for absorption and serves the purpose of the present invention.

第2表のDとC方式を比較すれば明らかなように、D方
式により核ZnO粒子は、ZnOを主成分とするいかな
る配合に対してもバリスタ電圧V1mA/mmを大巾に
低減する効果を示す。
As is clear from comparing methods D and C in Table 2, method D allows the core ZnO particles to have the effect of greatly reducing the varistor voltage V1mA/mm for any composition containing ZnO as the main component. show.

これは、添加した核ZnO粒子が微粒子のZnOを吸収
してさらに大きく粒成長するために焼結性の良い焼結体
が形成されるわけである。
This is because the added core ZnO particles absorb fine ZnO particles and grow even larger, so that a sintered body with good sinterability is formed.

一般に、 ZnOにB i 203や他の添加物を加え
た酸化亜鉛バリスタにおいて、5b203が含まれると
温度特性やサージ耐量特性が向上するが、加熱過程での
sb酸成分関与する固相反応がZnO粒成長の抑制現象
と関係するため、低電圧化が図れないので難点であった
Generally, in zinc oxide varistors made by adding B i 203 and other additives to ZnO, the inclusion of 5b203 improves the temperature characteristics and surge resistance characteristics, but the solid phase reaction involving the sb acid component during the heating process This was a difficult point because it was not possible to lower the voltage because it was related to the phenomenon of suppressing grain growth.

しかし、核ZnO粒子を添加すると、sb酸成分よるZ
nOの粒成長抑制効果以上に核ZnO粒子の粒成長速度
が大きくなるため低電圧化が達成でき、かつsb酸成分
含まない系よりも著しく温度特性の良い素子が作製でき
る。
However, when core ZnO particles are added, Zn due to the sb acid component
Since the grain growth rate of the core ZnO particles is greater than the grain growth suppressing effect of nO, a lower voltage can be achieved, and an element with significantly better temperature characteristics than a system not containing the sb acid component can be manufactured.

これに対して、第2表のd方式欄に示したようにsb酸
成分含むスピネル相を主成分とする物質をあらかじめ作
製しておき、これを5b203の代りに添加すると、s
bを含む固溶体のスピネル相化合物はBi2O3に対し
安定となるため、加熱過程で、ZnOの粒成長抑制効果
と関係のあるsb酸成分関与する固相反応をほとんど避
けることができ、その分だけ核ZnO粒子の粒成長速度
が増すことが見出された。
On the other hand, as shown in the d method column of Table 2, if a substance whose main component is a spinel phase containing an sb acid component is prepared in advance and added in place of 5b203, s
Since the solid solution spinel phase compound containing b is stable with respect to Bi2O3, it is possible to almost avoid the solid phase reaction involving the sb acid component, which is related to the grain growth suppressing effect of ZnO, during the heating process, and to that extent the nuclei are It has been found that the grain growth rate of ZnO particles increases.

したがって、5b203として添加するときに比べて粒
成長速度がより大きくなるため、より均一で気孔の少な
いなど焼結性が著しく増し、第2表に示したb方式に比
べてバリスタ電圧(”1mA/mm)の低減、制限電圧
比(v1oA/v1mA)の低減、サージ特性の向上、
温度特性の向上などが一層はかれるようになった。
Therefore, compared to when adding 5b203, the grain growth rate is higher, and the sinterability is significantly improved, with more uniformity and fewer pores, and the varistor voltage ("1 mA/ mm), reduced limiting voltage ratio (v1oA/v1mA), improved surge characteristics,
Further improvements in temperature characteristics have been made.

これに加えて、製品としての歩留りが著しく向上した。In addition to this, the yield of the product was significantly improved.

このように、b方式を改良したd方式により、実用に供
しうる特性をそなえた素子が作製できる。
In this way, by using the d method, which is an improved version of the b method, it is possible to fabricate an element with characteristics that can be put to practical use.

この場合には、sb酸成分スピネル相化合物中に含めて
添加することにより、sb酸成分関与する固相反応を制
御してZnOの粒成長効果を抑制できるわけである。
In this case, by including the sb acid component in the spinel phase compound and adding it, the solid phase reaction involving the sb acid component can be controlled and the grain growth effect of ZnO can be suppressed.

しかしながら、この方式では、5b203成分はどでは
ないが、ZnOの粒成長抑制効果を示す他の添加物成分
が添加されているので、これらの成分によるZnO粒成
長抑制効果が働く。
However, in this method, the 5b203 component is not the only component, but other additive components that exhibit the effect of suppressing the grain growth of ZnO are added, so that the effect of suppressing the growth of ZnO grains by these components is exerted.

したがって、それらの成分によるZnO粒成長抑制効果
を抑制できればいっそう低圧化が達成でき、かつ焼結体
中のZnO粒子の粒径分布が均一になり、緒特性がいっ
そう向上し望ましいわけである。
Therefore, if the effect of inhibiting the growth of ZnO grains due to these components can be suppressed, it is possible to achieve even lower pressure, and the particle size distribution of ZnO particles in the sintered body becomes uniform, which is desirable as it further improves the properties.

本発明では、この点を解決することにより特性を大巾に
向上させることができた。
In the present invention, by solving this problem, the characteristics can be greatly improved.

すなわち、実施例に示したように、ZnOにBi 、
SbおよびC。
That is, as shown in the example, Bi, ZnO,
Sb and C.

またはMnまたはCoとMnなどの酸化物を必ず添加し
混合、成型、焼成すると焼結体自身が顕著な非オーム性
を示す配合において、ZnO原材料の一部分を核ZnO
粒子に置き換え、かつBi2O3やSi 02以外の添
加物とZnOの一部分とをそれらから形成されるスピネ
ル相化合物粉末に置き換え、混合、成型、焼成すると第
2表1ないし4のa方式欄に示すように、もつとも低圧
化ができ、かつ他の特性もすぐれた素子が作製できるこ
とが明らかとなった。
Alternatively, in a formulation in which Mn or Co and oxides such as Mn are always added and the sintered body itself exhibits remarkable non-ohmic properties when mixed, molded, and fired, part of the ZnO raw material is replaced with core ZnO.
When replacing the particles with additives other than Bi2O3 and Si02 and a part of ZnO with a spinel phase compound powder formed from them, mixing, molding, and firing, the result is as shown in Method a column of Table 2 1 to 4. In addition, it has become clear that it is possible to fabricate a device that can be made at low pressure and has excellent other characteristics.

これは、5b203以外の添加物成分によるZnO粒子
成長抑制効果が制御できることにより、d方式において
達成された、均一性の向上や気孔率の減少などの焼結性
の向上、バリスタ電圧(V1mA/11m)の低減、制
限電圧比(VIOA/V1mA)、サージ特性の向上、
温度特性の向上などがさらに大巾に向上できるようにな
ったことによる。
This is due to the ability to control the ZnO particle growth suppression effect of additive components other than 5b203, which was achieved in the d method, by improving sintering properties such as improved uniformity and decreasing porosity, and by increasing the varistor voltage (V1mA/11mA). ) reduction, limiting voltage ratio (VIOA/V1mA), improvement of surge characteristics,
This is due to the fact that it has become possible to further improve temperature characteristics.

これに加えて、製品としての都留が著しく向上した。In addition to this, Tsuru as a product has significantly improved.

著しい低圧化が達成されることにより、多くの長所が生
じる。
A number of advantages result from the significantly lower pressure achieved.

例えば、第3表は、この方式において焼成条件を変えた
場合の特性変化を示したものである。
For example, Table 3 shows changes in characteristics when the firing conditions are changed in this method.

低圧化の度合いが大きいことからより低温で焼成し、B
i2O3の散逸量を減らすことにより温度特性を大巾に
改善でき、かつ省エネルギー化ができる。
Since the degree of pressure reduction is large, it is fired at a lower temperature, and
By reducing the amount of i2O3 dissipated, temperature characteristics can be greatly improved and energy can be saved.

例えば、第3表に示すように、d方式で1300°C3
時間焼成で得られた特性が1200℃3時間の焼成条件
で得ることができ、かつ温度特性が大巾に向上できる。
For example, as shown in Table 3, the temperature is 1300°C3 using the d method.
The properties obtained by firing for hours can be obtained by firing at 1200° C. for 3 hours, and the temperature characteristics can be greatly improved.

また、第4表は、本発明のa方式において、焼成条件を
1300℃3時間と固定しておき、ZnO原材料の10
モル係に置換する核ZnO粒子の粒径範囲を小さい方へ
ずらした場合の特性変化を示したものである。
Table 4 also shows that in method a of the present invention, the firing conditions were fixed at 1300°C for 3 hours, and 10% of the ZnO raw material was
This figure shows the change in characteristics when the particle size range of the core ZnO particles to be substituted by molar ratio is shifted to the smaller side.

a方式での低圧化、均質化の効果が大きいため、より小
さい核ZnO粒子を用いて均一性を改善し、制限電圧比
、温度特性を顕著に向上できる。
Since the effect of pressure reduction and homogenization in method a is large, uniformity can be improved by using smaller core ZnO particles, and the limiting voltage ratio and temperature characteristics can be significantly improved.

実施例では核ZnO粒子として63〜125μmまたは
44〜105μmのものを用いているが、この範囲に限
定する必要はない。
In the examples, core ZnO particles having a diameter of 63 to 125 μm or 44 to 105 μm are used, but there is no need to limit the particle size to this range.

たとえば、v1mA/mmをあまり低下させる必要性の
ない場合にはより小さい粒径範囲のものを、また大巾に
低下させたい場合にはより大きな粒径範囲のものを用い
ればよい。
For example, if there is no need to reduce v1mA/mm much, a particle in a smaller particle size range may be used, and if it is desired to significantly reduce v1mA/mm, a particle in a larger particle size range may be used.

30〜200μmの範囲で粒径を変えることにより、任
意のバリスタ電圧をもつ低圧用素子を容易に作製するこ
とができる。
By changing the particle size within the range of 30 to 200 μm, it is possible to easily produce a low-voltage element with any varistor voltage.

なお、非オーム性特性に関しては、この方式では非オー
ム性の向上に寄与するCoやMnなどの成分は高温にお
いてスピネル相中から他の共存する相中に拡散するため
、b、c、dなどと同等の特性が得られる。
Regarding non-ohmic properties, in this method, components such as Co and Mn that contribute to improving non-ohmic properties diffuse from the spinel phase into other coexisting phases at high temperatures, so b, c, d, etc. Properties equivalent to those obtained can be obtained.

第2表、第3表および第4表の実施例および比較例では
、核ZnO粒子としてはZnOにB a COsを添加
して作製したものを用いているが、核ZnO粒子はこれ
以外にも、ZnOにSr、Ca、Na 、K。
In the examples and comparative examples shown in Tables 2, 3, and 4, core ZnO particles made by adding B a COs to ZnO are used, but core ZnO particles can also be made of other materials. , Sr, Ca, Na, K in ZnO.

Li、Csなどのアルカリ土類やアルカリ金属成分など
を添加した焼結体を水により分解する方法によっても作
製でき、それらの核ZnO粒子を用いてもよい。
It can also be produced by a method in which a sintered body to which alkaline earth or alkali metal components such as Li and Cs are added is decomposed with water, and their core ZnO particles may be used.

また、これらの実施例では純粋な核ZnO粒子を用いて
いるが、必ずしも純粋である必要はなく、バリスタ作用
を損わずZnOに固溶しうる成分であればZnO結晶中
にあらかじめ固溶させておいても良い。
In addition, although pure core ZnO particles are used in these examples, they do not necessarily have to be pure, and any component that can be solid-dissolved in ZnO without impairing the varistor action may be dissolved in the ZnO crystal in advance. You can leave it there.

ZnOにB 1203 t S b2031 Co2O
32Mn02tNiOtCr20Bなどを添加した酸化
亜鉛バリスタではZnO結晶相中にCo 2 Mn t
Nt酸成分どが固溶している。
B 1203 t S b2031 Co2O in ZnO
In a zinc oxide varistor doped with 32Mn02tNiOtCr20B, etc., Co2Mnt is present in the ZnO crystal phase.
The Nt acid component is dissolved in solid solution.

これらのZnOに固溶しうる成分をBa成分とともにZ
nOに添加し焼成しても、Ba成分だけを添加した場合
と同様の焼結体が得られ、これを水により分解すること
により、Zn(]こCo。
These components that can be solid-dissolved in ZnO are added to ZnO together with Ba component.
Even when nO is added and fired, a sintered body similar to that obtained when only Ba component is added is obtained, and by decomposing this with water, Zn(] and Co.

MntNiの固溶した核ZnO粒子を取出すことができ
る。
Core ZnO particles in which MntNi is dissolved can be taken out.

この核ZnO粒子を第2表ないし第4表の実施例および
比較例における純粋な核ZnO粒子の代りに用いても特
性的Oこほとんど差がなく、むしろ特性がよくなる傾向
がある。
Even when these core ZnO particles are used in place of the pure core ZnO particles in the Examples and Comparative Examples shown in Tables 2 to 4, there is almost no difference in the characteristic O, and the characteristics tend to improve.

核ZnO粒子の作製において、実施例では純水中で煮沸
する方法を用いている。
In the production of core ZnO particles, a method of boiling in pure water is used in the examples.

これは、粒界層の水中への溶解速度を高めるためであり
、水中に放置しておいても同様の効果がある。
This is to increase the dissolution rate of the grain boundary layer in water, and the same effect can be obtained even if the grain boundary layer is left in water.

煮沸は焼結体の分解を促進するためであり、核ZnO粒
子を取出すための必要不可欠の条件ではない。
The purpose of boiling is to promote the decomposition of the sintered body, and is not an essential condition for taking out the core ZnO particles.

また、第2表ないし4表の実施例および比較例では、基
となる配合として、Zn(]こBi、SbとCoまたは
MnまたはCoとMnなどの酸化物を必ず含みCr、N
i、Siなどの酸化物を添加した配合をもちいているが
、Cr t Nt t Stなどの酸化物以外でも電圧
非直線性特性やその他のバリスタ特性の向上に効果のあ
る成分を含む配合でも同一の効果があることは勿論のこ
とである。
In addition, in the examples and comparative examples shown in Tables 2 to 4, the base formulation always contains oxides such as Zn(], Bi, Sb and Co, or Mn, or Co and Mn, and Cr, N
Although we use a formulation that contains oxides such as Cr t Nt t St, it is the same even if it contains ingredients other than oxides such as Cr t Nt t St that are effective in improving voltage nonlinearity characteristics and other varistor characteristics. Of course, it has the effect of

以上に説明したように、本発明は、ZnOにBi2O3
を少なくとも添加した配合に核ZnO粒子を添加し焼成
すると核ZnO粒子が著しく粒成長する現象と、ZnO
に少くともBi2O3と5b203を添加し、さらにC
o 、Mn、NiやCrなどの酸化物などを添加した配
合において、温度特性やサージ耐量特性の向上に顕著な
効果のあるsb酸成分スピネル相化合物の中に含めて添
加すると、ZnOの粒成長の抑制と関係のあるsb酸成
分関与する固相反応を抑制することができるため、sb
酸成分よるZnOの粒成長抑制効果が抑制されること、
およびsb成分以外の添加物でスピネル相に固溶する成
分はすべてスピネル相中に含ぬて添加すると、それらの
添加物によるZnO粒成長抑制効果が抑制されること、
などを利用したものである。
As explained above, the present invention provides ZnO with Bi2O3
When core ZnO particles are added to a formulation containing at least ZnO and fired, the core ZnO particles grow significantly.
Add at least Bi2O3 and 5b203 to
In a formulation containing oxides such as o, Mn, Ni, and Cr, adding it to the spinel phase compound of the sb acid component, which has a remarkable effect on improving temperature characteristics and surge resistance characteristics, can improve the grain growth of ZnO. It is possible to suppress the solid phase reaction involving the sb acid component, which is related to the suppression of sb.
The effect of inhibiting grain growth of ZnO due to the acid component is suppressed;
and that if all additives other than the sb component that are solid-dissolved in the spinel phase are added without being included in the spinel phase, the ZnO grain growth inhibiting effect of those additives will be suppressed;
etc. are used.

本発明により、低圧回路における高エネルギーサージの
吸収用素子であって、常温付近だけでなく、150℃〜
200℃の高温域でも使用できる素子として、たとえば
自動車におけるジャイアントサージの吸収用素子として
、実用に供しうる電圧非直線抵抗器が歩留りよく作製し
うるようになった。
The present invention provides an element for absorbing high-energy surges in low-voltage circuits, which can be used not only at room temperature but also at 150°C and above.
It has now become possible to produce a voltage nonlinear resistor with a high yield that can be used in practice as an element that can be used even in a high temperature range of 200° C., for example, as an element for absorbing giant surges in automobiles.

また、本発明Oこよる技術を用いて、ZnOにBi。Moreover, using the technology based on O of the present invention, Bi is added to ZnO.

sbとCoまたはMnまたはCoとMnなどの酸化物を
必ず含む配合において、ZnO原材料の一部分に置換す
る核ZnO粒子の量、粒径、sb酸成分スピネル相化合
物の粒径、素子の焼成条件などを変えることにより、任
意の低いバリスタ電圧をもち、かつ温度特性や制限電圧
比特性などのすぐれた電圧非直線抵抗器が容易に作製で
きる。
In a formulation that always contains oxides such as sb and Co or Mn or Co and Mn, the amount and particle size of core ZnO particles to replace a part of the ZnO raw material, the particle size of the sb acid component spinel phase compound, the firing conditions of the element, etc. By changing the varistor voltage, a voltage nonlinear resistor with an arbitrarily low varistor voltage and excellent temperature characteristics and limiting voltage ratio characteristics can be easily manufactured.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] I ZnOにBttSbおよびCoまたはMnまたは
CoとMnなどの酸化物を必ず添加し、これを混合、成
型、焼成すると焼結体自身が非オーム性を示すような配
合において、全体に対する1〜40モル係のZnO原材
料を30〜200μmの粒径のZnO粒子に置き換え、
かつ、添加物の中でスピネル相に固溶しないBiなどの
添加物以外の添加物とZnO原材料の一部分とを、それ
らを用いて混合、成型、焼成後粉砕して作製したスピネ
ル相化合物の粉末試料に置き換え、混合、成型、焼成す
ることを特徴とする電圧非直線抵抗器の製造方法。
In a formulation in which BttSb and oxides such as Co or Mn or Co and Mn are always added to ZnO, and when mixed, molded, and fired, the sintered body itself exhibits non-ohmic properties, 1 to 40 mol of the total Replace the ZnO raw material with ZnO particles with a particle size of 30 to 200 μm,
In addition, a powder of a spinel phase compound prepared by mixing, molding, firing, and pulverizing additives other than additives such as Bi that do not dissolve in the spinel phase and a part of the ZnO raw material. A method for manufacturing a voltage nonlinear resistor, which includes replacing the sample with a sample, mixing, molding, and firing.
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